基于毫米波雷達(dá)的智能馬桶非接觸式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：文章設(shè)計(jì)了一種基于毫米波雷達(dá)的智能馬桶非接觸式控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用毫米波雷達(dá)感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)人體接近檢測(cè)、手勢(shì)識(shí)別和環(huán)境光照檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了馬桶的自動(dòng)開(kāi)蓋/關(guān)蓋、臀部清洗、坐墊加熱和小夜燈照明等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效識(shí)別用戶指令，實(shí)現(xiàn)非接觸式控制，提高用戶體驗(yàn)。系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)蓋/關(guān)蓋成功率達(dá)到97%以上，手勢(shì)識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到100%，溫度控制精度在±1℃以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：毫米波雷達(dá)；非接觸式控制；人機(jī)交互；智能家居；衛(wèi)生潔具

中圖分類號(hào)：TP391.9" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）19-0103-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

隨著智能家居技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的智能設(shè)備融入人們的日常生活，提高了生活品質(zhì)[1]。馬桶作為家居生活的重要組成部分，其智能化升級(jí)已成為必然趨勢(shì)。本文旨在設(shè)計(jì)一種基于毫米波雷達(dá)的智能馬桶控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)非接觸式操作，提高衛(wèi)生性和用戶體驗(yàn)，并探討毫米波雷達(dá)技術(shù)在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

毫米波雷達(dá)是一種通過(guò)發(fā)射毫米波和接收物體反射回來(lái)的毫米波的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的探測(cè)和對(duì)目標(biāo)識(shí)別的無(wú)線感應(yīng)技術(shù)[2]。本文通過(guò)分析手勢(shì)動(dòng)作的回波信號(hào)特征實(shí)現(xiàn)智能馬桶的手勢(shì)控制功能。為了更好地理解智能馬桶的發(fā)展趨勢(shì)，下文將首先介紹智能馬桶的發(fā)展現(xiàn)狀。

1 智能馬桶發(fā)展現(xiàn)狀

目前智能馬桶主要的控制方式有控制面板、遙控器、語(yǔ)音等方式?？刂泼姘宸€(wěn)定可靠，但是需要接觸馬桶，容易引發(fā)衛(wèi)生問(wèn)題。遙控器使用起來(lái)相對(duì)方便，但是需要定期更換電池，而且遙控器體積小容易丟失。語(yǔ)音控制方式智能化程度相對(duì)較高，但是語(yǔ)音識(shí)別準(zhǔn)確率較低。毫米波雷達(dá)作為一種無(wú)線感知技術(shù)，能夠感知人體距離及手勢(shì)動(dòng)作，受外界環(huán)境影響較小，特別適合智能馬桶的控制應(yīng)用。中國(guó)智能馬桶市場(chǎng)規(guī)模龐大且呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，已接近400億元，2023年智能馬桶產(chǎn)量同比增長(zhǎng)8.2%，達(dá)到1265萬(wàn)臺(tái)，占全球總產(chǎn)量的69%。在未來(lái)智能馬桶將與其他智能設(shè)備互聯(lián)互通，為用戶提供更加智能化、便捷化的使用感受。接下來(lái)對(duì)毫米波雷達(dá)距離探測(cè)方法及智能馬桶的具體功能進(jìn)行介紹。

2 毫米波雷達(dá)距離探測(cè)方法

毫米波雷達(dá)通過(guò)發(fā)射單元把無(wú)線信號(hào)發(fā)射到空中，發(fā)射信號(hào)碰到目標(biāo)物體反射后被毫米波雷達(dá)接收單元接收[3]。毫米波雷達(dá)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行混頻得到中頻信號(hào)，系統(tǒng)通過(guò)分析該中頻信號(hào)得到目標(biāo)物體的距離[4]。計(jì)算中用τ表示回波信號(hào)的時(shí)延，S表示調(diào)頻信號(hào)的調(diào)頻斜率，f0表示中頻信號(hào)頻率，最終計(jì)算出目標(biāo)物體的距離d為cf0/2S。

3 智能馬桶整體功能

該項(xiàng)目中主要通過(guò)毫米波雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)人體及手勢(shì)的智能感知。智能馬桶主要包括毫米波雷達(dá)模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、臀部清洗控制模塊、夜間照明控制模塊、坐便器坐墊圈溫度控制模塊、馬桶自動(dòng)沖水模塊、電源模塊幾大部分。

3.1 調(diào)頻連續(xù)波毫米波雷達(dá)智能感應(yīng)開(kāi)關(guān)馬桶蓋

目前大部分智能馬桶還沒(méi)有自動(dòng)打開(kāi)與關(guān)閉馬桶蓋的功能，該項(xiàng)目中通過(guò)毫米波雷達(dá)感應(yīng)人體與馬桶的距離實(shí)現(xiàn)馬桶的自動(dòng)開(kāi)蓋與關(guān)蓋功能。

當(dāng)人體進(jìn)入到智能馬桶范圍距離小于20 cm并保持2 s以上時(shí)，智能馬桶判定需要打開(kāi)馬桶蓋。當(dāng)人體離開(kāi)馬桶距離超過(guò)20 cm并且時(shí)間超過(guò)5 s以上時(shí)，智能馬桶判定需要關(guān)閉馬桶蓋。馬桶蓋的開(kāi)蓋和關(guān)蓋動(dòng)作通過(guò)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行，步進(jìn)電機(jī)由ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)判斷需要打開(kāi)馬桶蓋時(shí)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)100度打開(kāi)馬桶蓋，需要關(guān)閉馬桶蓋時(shí)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)100度關(guān)閉馬桶蓋。

3.2 調(diào)頻連續(xù)波毫米波雷達(dá)手勢(shì)控制

毫米波雷達(dá)的手勢(shì)識(shí)別主要包括手勢(shì)數(shù)據(jù)采集、手勢(shì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算、手勢(shì)數(shù)據(jù)處理、構(gòu)建手勢(shì)數(shù)據(jù)特征圖像、手勢(shì)識(shí)別分類五大部分。手勢(shì)是一個(gè)不斷運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，系統(tǒng)要測(cè)量手勢(shì)的移動(dòng)速度，需要獲取手勢(shì)動(dòng)作在兩個(gè)不同時(shí)刻的距離信息。該項(xiàng)目通過(guò)計(jì)算兩個(gè)不同回波信號(hào)獲得兩個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)手勢(shì)與馬桶的距離，利用兩個(gè)距離的差值得到手勢(shì)的運(yùn)動(dòng)速度。在手勢(shì)移動(dòng)的情況下，毫米波雷達(dá)前方不同時(shí)刻手勢(shì)的回波信號(hào)圖如圖1所示。

系統(tǒng)對(duì)不同距離處混頻后的中頻信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換處理，頻譜上會(huì)生成不一樣的峰值，每個(gè)峰值代表不同距離處的物體。系統(tǒng)中每個(gè)發(fā)射的Chirp信號(hào)持續(xù)時(shí)間很短，各個(gè)Chirp內(nèi)不同物體所對(duì)應(yīng)的峰值在每一幀中所處的位置一樣，但是相位不同，因此系統(tǒng)可以利用各峰值在不同Chirp內(nèi)的相位差得到物體的運(yùn)動(dòng)速度[5]。該項(xiàng)目中利用無(wú)跡卡爾曼濾波算法對(duì)手勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和估計(jì)，最后利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取手勢(shì)特征，判斷出不同的手勢(shì)動(dòng)作。

該項(xiàng)目通過(guò)識(shí)別手臂左右擺動(dòng)的手勢(shì)動(dòng)作判定是否需要開(kāi)啟臀部清洗功能。馬桶識(shí)別到手臂左右擺動(dòng)的手勢(shì)動(dòng)作后系統(tǒng)開(kāi)啟臀部沖水的功能，臀部沖水時(shí)間默認(rèn)為10s。系統(tǒng)通過(guò)電磁閥控制臀部清洗沖水的開(kāi)關(guān)，臀部清洗電磁閥驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2所示。電路中單片機(jī)控制三極管與場(chǎng)效應(yīng)管同時(shí)導(dǎo)通使電磁閥打開(kāi)，開(kāi)始執(zhí)行沖水功能；單片機(jī)控制三極管與場(chǎng)效應(yīng)管同時(shí)截止使電磁閥關(guān)閉，停止沖水功能。

3.3 智能馬桶坐便器坐墊圈溫度自動(dòng)控制

該項(xiàng)目中智能馬桶的坐墊圈中加入加熱線圈，通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)坐便器自動(dòng)加熱，能夠使馬桶坐墊圈溫度維持在25℃。智能馬桶的溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境溫度，當(dāng)環(huán)境溫度低于20℃時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)馬桶坐墊圈加熱功能，當(dāng)環(huán)境溫度高于25℃時(shí)自動(dòng)停止馬桶坐墊圈加熱功能。主控單片機(jī)通過(guò)PWM方式控制加熱線圈進(jìn)行加熱，使坐便器快速達(dá)到目標(biāo)溫度。該項(xiàng)目中溫度控制采用PID算法，使溫度快速穩(wěn)定地達(dá)到目標(biāo)溫度并保持，溫度誤差在正負(fù)1℃以內(nèi)。

3.4 智能馬桶小夜燈

該項(xiàng)目中通過(guò)光敏傳感器檢測(cè)環(huán)境光照情況，當(dāng)毫米波雷達(dá)檢測(cè)到有人接近而且光線較暗的情況下會(huì)自動(dòng)打開(kāi)小夜燈進(jìn)行照明，人離開(kāi)后自動(dòng)關(guān)閉小夜燈。在白天光照較亮的情況下即使有人接近智能馬桶，系統(tǒng)也不會(huì)開(kāi)啟小夜燈。智能馬桶小夜燈控制電路如圖3所示。

接下來(lái)本文對(duì)智能馬桶各部分功能進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證各項(xiàng)功能的可靠性。

4 智能馬桶系統(tǒng)功能測(cè)試

4.1 智能馬桶自動(dòng)開(kāi)蓋關(guān)蓋測(cè)試

智能馬桶通過(guò)毫米波雷達(dá)檢測(cè)人體與馬桶的距離實(shí)現(xiàn)智能馬桶的自動(dòng)開(kāi)蓋與關(guān)蓋動(dòng)作。毫米波雷達(dá)模塊位于智能馬桶正前方，測(cè)試中人體分別從智能馬桶左邊、右邊、前方三個(gè)方向并且距離3 m處靠近和遠(yuǎn)離馬桶進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容主要包括人體靠近智能馬桶進(jìn)入20 cm距離范圍超過(guò)2 s時(shí)智能馬桶是否執(zhí)行開(kāi)蓋動(dòng)作以及人體離開(kāi)智能馬桶20 cm并且超過(guò)5 s時(shí)是否執(zhí)行自動(dòng)關(guān)蓋動(dòng)作。每個(gè)方向測(cè)試100次，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，智能馬桶檢測(cè)人體執(zhí)行開(kāi)蓋關(guān)蓋動(dòng)作時(shí)，人從智能馬桶兩側(cè)靠近時(shí)會(huì)有檢測(cè)失敗的情況，從智能馬桶前方靠近時(shí)能100%檢測(cè)到人體并執(zhí)行開(kāi)蓋與關(guān)蓋動(dòng)作。該項(xiàng)目對(duì)于智能馬桶開(kāi)蓋檢測(cè)失敗的情況還需要進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)。測(cè)試中對(duì)智能馬桶蓋執(zhí)行開(kāi)蓋與關(guān)蓋動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，開(kāi)蓋與關(guān)蓋動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間為1.5 s。

4.2 智能馬桶沖水功能測(cè)試

上完廁所后馬桶需要進(jìn)行沖水，該智能馬桶的沖水功能是在智能馬桶蓋關(guān)閉后自動(dòng)進(jìn)行觸發(fā)，沖水時(shí)間持續(xù)5 s。單片機(jī)檢測(cè)到馬桶蓋關(guān)閉完成后打開(kāi)馬桶沖水電磁閥開(kāi)關(guān)進(jìn)行沖水。測(cè)試中手動(dòng)打開(kāi)關(guān)閉馬桶蓋100次，沖水成功次數(shù)為100次，使用秒表測(cè)試每次沖水時(shí)間，每次沖水時(shí)間都為5 s。

4.3 手勢(shì)控制臀部清洗功能測(cè)試

測(cè)試中人坐在馬桶上，手臂在馬桶前方10 cm處左右擺動(dòng)，擺動(dòng)幅度大于30 cm，左右擺動(dòng)時(shí)間在1 s到3 s之間。臀部清洗功能執(zhí)行過(guò)程中智能馬桶對(duì)左右擺動(dòng)手臂的動(dòng)作不進(jìn)行識(shí)別，每次臀部清洗沖水時(shí)間為10 s。測(cè)試中對(duì)100次左右擺臂動(dòng)作進(jìn)行測(cè)試，每隔20 s測(cè)試一次。測(cè)試結(jié)果為100次左右擺臂動(dòng)作都能被正確識(shí)別，臀部清洗功能執(zhí)行100次。

4.4 智能馬桶坐墊圈溫度自動(dòng)控制測(cè)試

測(cè)試中對(duì)馬桶坐墊圈7個(gè)位置進(jìn)行溫度測(cè)試，馬桶坐墊圈左右兩邊各均勻放置3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，正前方放置1個(gè)測(cè)試點(diǎn)。位置1在馬桶坐墊圈正前方，位置2、位置3、位置4依次放置在坐墊圈左邊，位置5、位置6、位置7依次放置在坐墊圈右邊，7個(gè)測(cè)試點(diǎn)彼此間隔6 cm。在環(huán)境溫度為20℃的情況下進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試中人為控制溫度傳感器處的溫度使溫度低于20℃，測(cè)試馬桶是否可以自動(dòng)開(kāi)啟溫度加熱、加熱到目標(biāo)溫度的時(shí)間以及各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度值。測(cè)試反復(fù)進(jìn)行50次，加熱開(kāi)始1 min后對(duì)7個(gè)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

測(cè)試數(shù)據(jù)表明，在環(huán)境溫度低于20℃時(shí)智能馬桶都能夠自動(dòng)觸發(fā)坐墊圈加熱功能，1 min內(nèi)基本可以達(dá)到目標(biāo)溫度，每個(gè)位置的溫度誤差在正負(fù)1℃內(nèi)。

4.5 智能馬桶小夜燈測(cè)試

智能馬桶小夜燈通過(guò)毫米波雷達(dá)感應(yīng)人體的方式進(jìn)行自動(dòng)打開(kāi)與關(guān)閉。在晚上光線較暗的情況下，人體距離智能馬桶小于2 m時(shí)小夜燈自動(dòng)點(diǎn)亮，人體離開(kāi)智能馬桶距離大于2 m時(shí)小夜燈自動(dòng)關(guān)閉。測(cè)試分為晚上光線暗的環(huán)境和白天光線亮的環(huán)境兩種情況進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試人員遮擋住光敏傳感器模擬夜間光線暗的環(huán)境。對(duì)以上兩種情況按照要求分別進(jìn)行100次測(cè)試，在白天100次測(cè)試中小夜燈沒(méi)有被打開(kāi)；在夜間100次測(cè)試中小夜燈執(zhí)行開(kāi)關(guān)各100次。

測(cè)試結(jié)果表明，白天光線亮的情況下人體接近智能馬桶小夜燈不會(huì)被觸發(fā)開(kāi)啟，夜晚光線暗的情況下小夜燈可以正常觸發(fā)打開(kāi)與關(guān)閉。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文通過(guò)毫米波雷達(dá)無(wú)線感應(yīng)及手勢(shì)識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了馬桶的智能控制，使馬桶的智能化程度進(jìn)一步提升。項(xiàng)目中毫米波雷達(dá)的手勢(shì)動(dòng)作控制功能僅限于左右擺臂控制臀部沖水，其它手勢(shì)控制功能在后續(xù)設(shè)計(jì)中還需要不斷地優(yōu)化完善。隨著毫米波雷達(dá)手勢(shì)控制技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，該技術(shù)也將會(huì)在其他家電設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】